RA4M2 + DA14531 蓝牙开发实战：从 UART 驱动到手机 BLE 双向透传

给单片机增加手机通信功能，可以采用"MCU + 蓝牙模块"的方案：MCU 负责业务逻辑，通过串口与蓝牙模块交换数据，模块负责广播、连接及无线数据传输。

本文记录在 RA-Eco-RA4M2 开发板 上，通过 PMOD1 接口连接 DA14531 蓝牙模块，实现 AT 指令查询及手机双向透传的过程。

最终完成了两条通信链路：

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RA4M2 → DA14531 → 手机：发送 hello
手机 → DA14531 → RA4M2：接收 HelloWorld

文章重点介绍通信原理、硬件连接、驱动实现和分阶段测试方法。

本文的控制脚定义、J3 供电选择及复位电路，对应本次使用的 DA14531 PMOD RevA 模块板；AT 指令对应实测的 superflyBLE、版本 V0.0 固件。其他 DA14531 模块或固件应以各自资料为准。

一、系统组成与通信原理

1. 硬件与软件环境

项目	本次使用的配置
主控开发板	RA-Eco-RA4M2-100PIN-V2.0
主控芯片	R7FA4M2AD3CFP
蓝牙模块	DA14531 PMOD 模块板
模块接口	PMOD1，SCI4
模块串口参数	115200、8 位数据、无校验、1 位停止位
PC 调试接口	CH340，SCI9
命令行组件	MicroShell
编译工具链	ARM LLVM、CMake、Ninja
手机工具	BLE 调试助手

这里使用了两个相互独立的串口：

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PC 串口终端
    │
    │ USB / CH340
    ▼
RA4M2 SCI9
    │
    │ Shell 命令解析
    ▼
RA4M2 SCI4
    │
    │ UART
    ▼
DA14531
    │
    │ BLE
    ▼
手机 BLE 调试助手

SCI9 用于输入测试命令和查看日志，SCI4 用于与蓝牙模块通信。分开使用可以避免模块数据和调试信息混在同一条串口链路中。

2. DA14531 在系统中负责什么？

本项目使用的是已经运行 BLE/UART 透传及 AT 指令固件的模块。

RA4M2 不需要在本工程中实现完整的蓝牙协议栈，而是通过 UART 完成两类操作：

操作	用途	示例
AT 指令交互	查询模块信息	查询版本、广播名称
数据透传	与手机交换业务数据	发送 `hello`，接收 `HelloWorld`

需要注意，AT 指令是模块固件提供的功能，不是使用 DA14531 芯片就必然支持同一套命令。

更换模块固件后，命令格式、默认波特率、服务 UUID 和透传方式都有可能变化。

3. BLE 为什么需要"服务"和"特征"？

手机连接模块后，调试助手通常先显示服务列表，而不是直接出现类似串口助手的接收窗口。

这是因为 BLE 数据访问基于 GATT。设备通过服务组织功能，通过特征暴露具体数据及读写操作。相关概念可以参考 Bluetooth SIG 的 GATT 入门资料。

在本项目的透传测试中，需要关注两类特征：

特征属性	在本次测试中的用途
Notify	模块向手机推送数据
Write / Write Without Response	手机向模块写入数据

实际固件可能把这两类能力放在同一个特征中，也可能使用不同特征，应以手机发现的属性为准。

因此，测试时需要完成：

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扫描设备 → 建立连接 → 发现服务 → 展开特征 → 开启通知 → 收发数据

连接成功，并不表示手机已经订阅了数据通知。

二、硬件连接：先把接口和控制脚对应好

1. PMOD1 与模块的引脚关系

本工程最终使用 PMOD1 / SCI4。

PMOD1 脚号	RA4M2 引脚	模块侧功能	MCU 侧配置
1	P401	BOOT	输入，保持模块自身偏置
2	P205 / TXD4	模块 RXD	SCI4 发送
3	P206 / RXD4	模块 TXD	SCI4 接收
5、11	GND	地	共地
6、12	3.3V	电源输入	供电
7	P008	CONNECT	输入
8	P403	复位控制	输出
9	P402	LPR	输出高电平

UART 的信号方向是：

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RA4M2 P205 / TXD4 ─────→ 模块 RXD
RA4M2 P206 / RXD4 ←───── 模块 TXD

开发板原理图中，PMOD1 接收路径经过 SB12。如果在 MCU 引脚处回环成功，却在 PMOD1 插座处失败，应检查这段连接路径。

2. J3 是模块电源选择接口

本次模块板的 J3 用于选择供电来源：

J3 脚号	功能
pin1	PMOD 电源输入
pin2	模块实际 VCC
pin3	电池 VB+

使用开发板供电时，需要接通：

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J3 pin1 ───── pin2

可以安装跳线帽，也可以使用接触可靠的杜邦线连接。连接应在断电状态下完成，不能同时短接三个脚。

本次调试中，补齐 J3 供电连接后，确认模块实际 VCC 为 3.3V，为后续正常启动建立了条件。

这个细节容易被忽略：PMOD 插座有电源，不代表经过电源选择接口后的模块 VCC 已经接通。

3. 复位极性必须结合模块板电路判断

模块板上的 J1 pin8 并不是直接接到芯片复位端，中间还有一个 SS8550 PNP 三极管反相电路。

因此，在本次模块板上：

MCU 输出到 J1 pin8 的电平	作用
低电平	通过反相电路使模块复位有效
高电平	释放复位，允许模块运行

程序使用的复位过程为：

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P403 拉低 → 保持 20ms → P403 拉高 → 等待模块启动

正常运行时保持：

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P403 = HIGH
P402 = HIGH

其中 P402 对应 LPR，按本次参考工程的使用方式保持高电平，使模块 UART 可用。

三、RA4M2 程序设计

1. 驱动分层

为了把硬件控制、串口收发和测试命令分开，程序主要划分为以下文件：

文件	职责
`pmod1_uart.c`	SCI4 配置、中断接收、缓冲管理、回环测试
`ble_uart.c`	模块复位、控制脚、启动信息捕获
`sci9_uart.c`	PC 调试串口及系统毫秒计时
`uart_shell.c`	`ble`、`pmod1` 等测试命令

BLE 通信和 PMOD1 回环测试共用同一个 SCI4 驱动，避免两个模块分别初始化、读取同一个外设。

2. 配置 SCI4 引脚复用

P205、P206 需要配置为对应的 SCI 外设功能：

c 复制代码

uint32_t cfg =
    (uint32_t) IOPORT_CFG_PERIPHERAL_PIN |
    (uint32_t) IOPORT_PERIPHERAL_SCI0_2_4_6_8;

R_IOPORT_PinCfg(&g_ioport_ctrl,
                BSP_IO_PORT_02_PIN_05,
                cfg);

R_IOPORT_PinCfg(&g_ioport_ctrl,
                BSP_IO_PORT_02_PIN_06,
                cfg);

仅在软件中选择 SCI4 通道还不够，外部引脚也必须切换到正确的复用功能。

3. 波特率计算要使用真实外设时钟

本工程中，RA4M2 的 SCI 时钟来自：

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PCLKA = 100 MHz

对于当前采用的配置：

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BGDM = 0
ABCS = 0
ABCSE = 0
BRME = 1

波特率计算为：

text 复制代码

baud = PCLK / [32 × 4^CKS × (BRR + 1)] × MDDR / 256

115200 档使用：

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CKS  = 0
BRR  = 26
MDDR = 255

对应实际波特率约为：

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115288.63 baud

相对误差约为：

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+0.077%

分频和调制参数的关系可以对照 Renesas FSP SCI UART 驱动源码。

这里有一个值得记录的细节：旧注释曾写成"PCLKB=50MHz、分频系数16"，虽然两者都不符合实际配置，但在部分档位上计算结果恰好与"100MHz、分频系数32"相同。

因此，排查波特率时，应核对实际时钟树和寄存器组合，不能只看代码注释。

4. 使用接收中断和环形缓冲

模块可能在启动时连续输出名称和 MAC，也可能在手机写入后突发发送一串数据。

如果只在主循环中偶尔读取 UART，打印日志或处理命令期间就可能来不及取走数据。

本工程采用：

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SCI4 RXI 中断
      ↓
读取接收字节
      ↓
写入环形缓冲
      ↓
Shell 命令读取并显示

接收缓冲数组大小为 1024 字节，采用预留一个位置区分空满的方式，可用容量为 1023 字节。

缓冲满时丢弃新字节并增加 dropped 计数。这样不会静默覆盖尚未读取的数据，也方便通过状态命令观察应用层是否读取不及时。

5. 接收错误也要正确恢复

程序记录了以下状态：

计数项	含义
RX	接收数据计数
ORER	硬件接收溢出
FER	帧错误
PER	奇偶校验错误
dropped	软件缓冲满导致的丢弃
TX_timeout	发送等待超时

错误恢复时，不能只依赖 RDRF 是否置位。

参照 FSP 的错误处理流程，发生接收错误时也需要读取、丢弃错误数据，再清除错误标志。简化逻辑如下：

c 复制代码

uint8_t ssr = R_SCI4->SSR;

if (ssr & (0x40U | 0x38U))
{
    uint8_t data = R_SCI4->RDR;

    /* 正常数据进入接收缓冲；
       错误数据用于诊断，不作为有效业务数据。 */
    (void) data;
}

if (ssr & 0x38U)
{
    R_SCI4->SSR =
        (uint8_t) (R_SCI4->SSR & (uint8_t) ~0x38U);
}

上面的代码仅用于说明处理顺序，实际工程还包含缓冲操作、错误分类和临界区保护。

6. 先开启接收，再释放模块复位

模块启动信息往往只发送一次。如果先复位、等待很久，最后才打开串口接收，就可能错过这段信息。

本工程采用的初始化顺序是：

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配置控制脚
    ↓
初始化 SCI4，开启接收
    ↓
发出模块复位脉冲
    ↓
等待启动，同时持续接收
    ↓
保存启动信息，供 ble read 查看

系统计时使用 1ms SysTick 中断，保证串口输出及等待模块启动期间，超时计时仍能正常推进。

四、为调试增加 Shell 命令

PC 端串口配置为：

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115200、8N1、无流控

主要命令如下：

命令	功能
`pmod1 loopback`	PMOD1 串口回环测试
`ble status`	查看连接状态、控制脚及错误计数
`ble diag`	观察 RX 电平及短时间内的错误增量
`ble reset`	复位模块
`ble banner`	复位并捕获启动信息
`ble at <命令>`	发送 AT 指令并等待响应
`ble test`	自动探测常见波特率和有效应答
`ble send <文本>`	向模块发送文本，追加 CRLF
`ble read`	读取模块发来的数据

这组命令可以把测试分成硬件通路、模块启动、AT 交互和无线透传几个阶段。

五、第一阶段：验证 PMOD1 串口回环

测试前断电拔下蓝牙模块，在 PMOD1 插座处短接 pin2 与 pin3，再上电执行：

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pmod1 loopback

实际输出：

text 复制代码

[RA4M2 /]$ pmod1 loopback
PMOD1 loopback PASS; remove jumper before attaching module

随后执行：

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ble diag

测试时得到：

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Observe 100ms (no TX/reset):
samples=80178 P206_high=80178 RXDMON_high=80178 edges=0 TX(P205)=1

delta: RX=0 FER=0 break_low=0 clear_failed=0
RX stayed HIGH during sampling (normal idle, or disconnected/pulled high).

回环通过说明当前波特率下，MCU 发出的测试字节可以经插座连接回到接收端。

由于测试在 PMOD1 插座处完成，也覆盖了 MCU 到该插座的收发路径。

回环只验证 MCU 侧 UART 通路，不验证蓝牙模块是否上电、是否运行，也不验证无线通信。

测试结束后，应断电移除短接线，再接入模块。

六、第二阶段：捕获模块启动信息

接好模块及 J3 电源选择后，重新上电，执行：

text 复制代码

ble read

实际输出：

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[RA4M2 /]$ ble read
RX: \xC0DEVICE_NAME:superflyBLE MAC:A197B1FEC8C4\n
remaining=0

再执行启动信息捕获：

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[RA4M2 /]$ ble banner
Boot RX (current baud): \xFEDEVICE_NAME:superflyBLE MAC:A197B1FEC8C4\n
Boot RX proves module->MCU only; use ble test for AT round-trip.

从完整可读的文本可以确认：

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设备名称：superflyBLE
MAC：A197B1FEC8C4

这说明模块应用已经启动，并且模块到 MCU 的 UART 接收通路正常，当前 115200 波特率能够正确接收文本。

日志开头的 \xC0、\xFE 是捕获到的非打印字节，可能与复位阶段的信号变化有关，不应当作设备名称的一部分。

另外，启动信息只证明：

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模块 TX → MCU RX

要验证 MCU 到模块的发送方向，还需要 AT 应答测试。

七、第三阶段：验证 AT 指令交互

测试 AT 指令时，先保持手机断开，避免固件连接后的透传行为影响判断。

本工程的 ble at 命令会自动追加：

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\r\n

因此不需要在 Shell 中手动输入转义字符。

1. 基础查询

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[RA4M2 /]$ ble at AT?
AT RX: AT\n

2. 查询固件版本

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[RA4M2 /]$ ble at AT+VER?
AT RX: OK+VER=V0.0\n

3. 查询设备名称

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[RA4M2 /]$ ble at AT+NAME?
AT RX: OK+NAME=superflyBLE\n

版本和名称查询已经形成了完整的请求---应答链路：

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RA4M2 发送查询
       ↓
模块解析 AT 指令
       ↓
模块返回查询结果
       ↓
RA4M2 接收并显示

到这里，双向 UART 通信已经验证通过。

4. 自动测试必须适配真实应答格式

本次固件的应答并不总是单独一行：

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OK

例如版本查询返回：

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OK+VER=V0.0

如果自动测试只判断是否存在独立的 OK 行，就会把已经正常工作的模块误判为无有效应答。

因此，最终程序将版本查询作为探测命令之一，并识别完整的：

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OK+VER=<非空版本字符串>

同时保留对独立 OK 行的支持。

普通命令回显、随机乱码或仅收到某个字符，都不作为测试成功的依据。

八、第四阶段：手机连接与 Notify 订阅

1. 扫描并连接模块

打开手机 BLE 调试助手，扫描：

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superflyBLE

连接后展开服务列表，再查看各服务下的特征。

本文未将某个 UUID 写死，因为实际服务和特征由模块固件决定。应根据当前设备展示的 UUID、描述和属性选择对应的透传特征。

2. 找到 Notify 特征并开启通知

在特征列表中查找包含：

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Notify

属性的条目，点击"开启通知""订阅"或对应图标。

如果手机工具只有服务浏览能力，操作不方便，也可以使用支持特征读写和通知订阅的 nRF Connect for Mobile。

本次测试中，手机已经能够连接模块，但最初只显示服务信息。展开特征并开启通知后，才完成了接收数据的操作。

需要注意：

应先订阅，再发送测试数据。未订阅时已经发送的内容，不保证在订阅后补发。

九、第五阶段：完成双向透传测试

1. RA4M2 向手机发送

手机连接并开启通知后，在 PC 串口终端执行：

text 复制代码

[RA4M2 /]$ ble send hello
UART sent; verify reception on phone

手机端成功接收到测试内容，验证了以下路径：

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RA4M2 SCI4 TX
      ↓
DA14531 UART RX
      ↓
BLE 通知
      ↓
手机

本工程的 ble send 会追加 CRLF，因此发送的字节内容为：

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hello\r\n

如果手机工具使用十六进制显示，对应：

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68 65 6C 6C 6F 0D 0A

终端打印 UART sent 只说明 MCU 已完成串口发送；确认无线链路成功，还要以手机实际收到数据为准。

2. 手机向 RA4M2 发送

在手机端找到具有：

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Write

或：

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Write Without Response

属性的透传特征，选择文本格式，发送：

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HelloWorld

随后在 PC 串口终端执行：

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[RA4M2 /]$ ble read
RX: HelloWorld
remaining=0

这验证了反方向链路：

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手机写入 BLE 特征
      ↓
DA14531 接收
      ↓
模块 UART TX
      ↓
RA4M2 SCI4 RX
      ↓
接收缓冲
      ↓
PC 串口终端显示

remaining=0 表示本次读取后，软件接收缓冲中没有剩余待读数据。

至此，RA4M2 与手机之间的双向透传完成。

十、本次调试中值得保留的经验

1. 回环通过后，要继续验证模块控制条件

回环可以证明 MCU 的 UART 通路可用，但模块正常通信还依赖供电、复位、LPR 和固件运行状态。

按照下面的顺序验证，可以更快缩小问题范围：

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UART 回环
    ↓
模块实际供电与控制脚
    ↓
启动信息
    ↓
AT 查询应答
    ↓
手机连接和特征订阅
    ↓
双向透传

2. 接口名称、UART 通道和引脚必须统一

本工程曾存在 BLE 命令使用 PMOD2/SCI0，而实际模块测试使用 PMOD1/SCI4 的情况。

修改时必须同时核对：

UART 外设通道；
TX/RX 引脚复用；
复位、LPR、CONNECT 控制脚；
Shell 显示的引脚说明；
回环命令实际使用的驱动。

只改日志里的"PMOD1"，或者只改 UART 通道，都不能完成正确迁移。

3. 接口侧复位极性不一定等于芯片复位极性

模块板可能加入三极管、逻辑门等电路。

本次模块板的插座复位控制端经过反相，因此 MCU 应输出低脉冲复位、高电平运行。应从 MCU 到模块芯片沿信号路径检查整条电路。

4. 看错误增量比只看累计值更有帮助

FER 等统计项是累计值，可能包含启动、复位或扫描波特率期间产生的错误。

判断当前通信是否仍异常，应该观察固定时间窗口内是否继续增长。

因此，程序增加了 ble diag，观察 100ms 内的 RX 电平和错误增量。它适合判断持续低电平、空闲高电平及错误是否继续发生，但不能替代示波器或逻辑分析仪分析波形。

5. BLE 透传仍需要应用层协议

本次验证的是短文本双向通信。

如果后续用于传感器数据、控制指令或较长消息，还需要定义帧格式，例如：

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帧头 + 命令字 + 长度 + 数据 + 校验

接收程序不能默认"一次串口读取"或"一次 BLE 通知"就一定是一条完整业务消息，应支持拆包、拼包和长度校验。

十一、测试结果与后续扩展

本次完成的验证项目如下：

测试项目	结果
PMOD1 插座处 UART 回环	通过
模块启动信息接收	通过
AT 固件版本查询	`V0.0`
AT 设备名称查询	`superflyBLE`
手机扫描并连接	通过
RA4M2 → 手机发送 `hello`	通过
手机 → RA4M2 发送 `HelloWorld`	通过

当前工程已经具备模块初始化、UART 中断接收、AT 查询、状态诊断及双向透传能力。后续可以在此基础上加入传感器数据上报、手机控制 LED、参数配置及连接状态提示。

这些结果验证了基本功能链路；持续吞吐、远距离通信、断线重连和长时间稳定性，还需要分别设计测试。